大寨海綿田土壤有機質、速效養分評價與空間分布

張華等

摘要：選取土壤有機質、速效磷、速效鉀、水解氮4項指標，采用模糊隸屬度函數（S型）計算隸屬度值，用相關系數法確定各養分指標權重，確定養分評價綜合指數值，進而對大寨典型海綿田土壤養分進行評價，并分析其空間分布特點。結果表明，研究區土壤水解氮含量較為貧乏，有機質含量總體上適量，速效磷和速效鉀含量相對豐富。模糊綜合評價結果表明，研究區土壤養分水平主要集中在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，大寨海綿田土壤養分處于適量狀態。從空間分布來看，土壤養分模糊綜合評價值由南北中部地區向東北、西南兩側遞減，與有機質含量分布一致，速效磷和速效鉀隨地勢增高呈遞減趨勢，水解氮則呈現出高低值交叉分布的復雜格局。

關鍵詞：大寨海綿田；土壤；速效養分；評價；空間分布

中圖分類號：S155 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）17-4133-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.17.007

土壤是農業生產的基礎，土壤肥力直接關系到作物產量[1]及農業可持續發展[2]。有機質和速效養分含量是土壤肥力的重要指標，在自然和人為因素的綜合作用下處于不斷變化與更新的狀態。正確認識和科學評價土壤有機質和速效養分對于科學施肥、土壤管理及作物布局均具有重要的理論和實踐意義[3，4]。隨著灰色關聯度法[5]、模糊綜合評價法[6]、層析分析法[7]、克里金插值法[8]、神經網絡法[9]等數值化評價方法的提出和應用，土壤養分評價逐步側重于定量評價和多因素的綜合評價。但前人的研究大多是針對大尺度范圍土壤養分進行評價，例如呂蘇丹等[10]對東陽萬畝園區的土壤養分狀況進行了評價，趙串串等[11]對玉樹東南部森林土壤養分狀況的評價，而關于小尺度上農田耕層土壤速效養分的評價尚不多見。

大寨海綿田是大寨人民自1953年開始，歷經了20多年時間建設的梯田式基本農田，具有活土層厚、結構良好、蓄水保墑、微生物活躍等特點，曾是全國農田基本建設學習的榜樣。歷經60多年的變遷，大寨海綿田無論是在耕種管理方面還是環境方面都發生了巨大的變化，目前的養分狀況鮮見報道。本研究以大寨典型海綿田為研究對象，對大寨典型海綿田小尺度范圍內土壤有機質和速效養分進行評價及空間分布進行分析，旨在為當地作物區劃、合理管理及精準施肥提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

大寨位于山西省昔陽縣城東5 km太行山脈的虎頭山下，總面積約2 km2，海拔約1 000 m，全年無霜期150 d，年平均溫度9.1℃，年降水量500～700 mm，大部分集中在7～9月，春季干旱少雨，夏季多暴雨。1953年前，水土流失十分嚴重[12]，歷經20多年的建設，大寨人民修梯田、改土質、種綠肥、培熟土，變“三跑田”為“三保田”，是當時全國農田基本建設學習的榜樣。目前在大寨的主要農作物有玉米、大豆等。本研究選取大寨典型海綿田狼窩掌區，對其耕層土壤養分現狀進行評價。

1.2 樣品采集與處理

在對大寨海綿田進行歷史資料查詢、實地訪談及踏查的基礎上，選定狼窩掌農田區海綿田為取樣區，采用S型取樣，在5 m范圍內采耕層（0～20 cm）混合土壤，同時記錄取樣點坐標位置、海拔和環境因子數據，共采樣101個。所取混合土樣剔除植物根系及石礫等雜物后，在室內風干，并分別過20、60、100目篩備用。

1.3 檢測方法

有機質采用0.4 mol/L重鉻酸鉀-外加熱法[13]；水解氮采用堿解擴散法[13]；速效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法[13]；速效鉀采用1 mol/L中性醋酸銨浸提-火焰光度法測定[13]。

1.4 土壤養分評價方法與標準

1.4.1 模糊綜合評價法 以模糊數學中的加乘法原則為原理，利用各項養分指標的權重系數和隸屬度值，計算出反映土壤養分肥力狀況的綜合指標值IFI（Integrated fertility index），其計算公式為：

IFI=∑（Wi×Ni）

式中，Ni和Wi分別表示第i種養分指標的隸屬度值和權重系數。

隸屬度值表示各養分指標的狀態值，根據參評養分元素本研究選擇S型隸屬度函數，并將曲線型函數轉化為相應的折線型函數，以利于計算。

f（x）=0.1 x

權重表示評價指標對評價對象的影響程度或貢獻率，目前確定權重系數的方法主要有經驗打分法、多元統計相關系數法、主因子分析法、層次分析法、回歸分析法。本研究選取相關系數分析法[10，14]。

1.4.2 評價標準 采用全國第二次土壤普查的土壤養分評價分級標準[15]，如表1所示。

與表1土壤養分分級標準相對應，本研究將土壤養分模糊綜合評價分級也劃分為5級，如表2所示。

1.5 數據處理

運用SPSS 17.0和EXCEL 2003進行統計學分析，運用ArcGIS10.0進行土地統計學分析并制圖。

2 結果與分析

2.1 描述性統計分析

研究區各土壤養分指標的統計特征值與分級結果（表3）表明，各土壤養分指標的變異系數均在20%～60%，表現為中等程度變異。其中有機質的變異強度最大，為55%；其次是速效磷和水解氮，分別為39%、38%；速效鉀變異強度最小，僅為27%。究其原因可能與農民受“山西土壤缺氮、少磷、鉀充足”的觀念影響，在施肥時只注重氮、磷肥的施用，而一般不施鉀肥有關。不同的農戶施肥量可能有所不同，因此也就造成了氮、磷及有機質在土壤中的含量變異程度高于鉀的現狀。

養分分級結果表明，57.4%的點位土壤有機質含量達到適量水平，19.7%的點位達到豐富水平；所有點位的土壤速效磷含量均達到了豐富水平；速效鉀含量全部達到了適量水平；但水解氮含量僅有23.8%的點位達到了適量水平，75.2%的土壤水解氮含量處于貧乏或極貧乏狀態。有機質、速效磷、速效鉀和水解氮含量的平均值分別為15.90 g/kg、36.28 mg/kg、137.98 mg/kg和47.15 mg/kg，總體上表現為土壤水解氮含量偏低，有機質含量適量，速效磷和速效鉀含量相對豐富。為此，建議注重各類氮肥的施用，同時，可以考慮在施肥時少施，甚至不施磷肥。

2.2 土壤養分的模糊綜合評價

2.2.1 單項養分指標權重的確定 單項養分指標權重表示各養分指標對作物的影響程度或貢獻率。由表4可知，速效磷和有機質對作物的影響程度較大，貢獻率達到26%、25%；其次是速效鉀和水解氮。

2.2.2 單項養分指標隸屬度值的確定 本研究選取土壤有機質、速效磷、速效鉀、水解氮4項養分指標作為參評因素，選取S型隸屬度函數計算各養分指標的隸屬度值。根據前期研究結果，結合大寨地區實際情況確定隸屬度函數曲線轉折點的取值（表5）。

根據隸屬度函數計算得到研究區各樣點4項養分指標隸屬度函數值（表6）。由表6可知，101個樣點指標的隸屬度函數值變異系數都比較小，故101個樣點可估計研究區4項參評指標的特性及對土壤肥力質量的影響。速效鉀和有機質隸屬度值最小，表明速效鉀和有機質對土壤肥力的作用分值較小；水解氮隸屬度值在0.7以上，處于中間狀態；速效磷隸屬度值為0.98，處于較好的狀態。

2.2.3 土壤肥力指數評價 本研究采用土壤肥力指數法中的權重加權求和指數模型[16]法定量化評價大寨海綿田土壤肥力，將評價結果轉化成0.1～1.0的數值，得出所有樣點的土壤養分模糊綜合指數IFI。

土壤養分模糊綜合指數IFI特征值（表7）變異系數為0.152，變異強度較弱。且所有樣點的IFI值介于0.42～0.79之間，均值為0.61，其偏度值為0.125，呈明顯右偏分布，表明其在高值區具有較高的頻數分布。根據模糊綜合評價分級標準對所有樣點養分狀況進行進一步分級表明，研究區101個采樣點土壤養分綜合指數值分布在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，分別為13、37、27和24個，占總樣點的12%、37%、27%和24%，且主要集中在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，全區沒有Ⅴ級土壤，表明研究區土壤有機質和速效養分狀況總體上處于適量偏高狀態。

2.4 土壤養分空間分布

運用ArcGIS10.0中的克里格最優內插法繪出大寨海綿田土壤有機質和速效養分及綜合評價的空間分布圖（圖1）。由圖1可知，大寨典型海綿田耕層土壤養分由南北貫通的中部向東西兩側遞減；有機質含量最高值集中在研究區的中心位置，東北、西南向是其低值區，呈現出由中心向四周遞減的趨勢；速效磷、速效鉀的分布呈現出由西北向東南隨地勢增高而遞減的趨勢，且速效鉀局部地區呈現出高低值交錯分布空間格局；土壤水解氮的分布由南北向東北、西南兩側遞減，且在南北貫通的中部，局部地區出現水解氮的高值區。

3 小結與討論

土壤養分的科學評價及分布規律研究一直深受土壤及農學工作者的關注，眾多的研究結果表明，土壤有機質和速效養分含量是土壤肥力的重要指標，且在自然和人為因素的綜合作用下處于不斷變化與更新的狀態[1-4]。本研究結果表明，經歷了60多年的歷史變遷和風風雨雨之后，大寨海綿田土壤所有樣點養分水平分布均為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，且主要分布在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，沒有Ⅴ級土壤，可認為其養分狀況處于適量狀態。但與1975年土壤測定數據相比[17]，速效磷含量有所增加，水解氮含量有所減少。從各項養分指標的變異系數來看，有機質變異最大，其次是速效磷、水解氮，速效鉀的變異系數最小。這可能與農民受“山西土壤缺氮、少磷、鉀充足”的觀念影響較大，磷肥、氮肥施用較多，鉀肥施用較少有關。眾所周知，磷肥當季利用率低，在土壤中殘留較多，因此多年累積的結果使得研究區內速效磷含量較為豐富。研究區內速效氮含量沒有隨施氮肥而表現出累積的原因可能與所用氮肥的種類有關，據調查近年來當地所用氮肥多為化肥，有機肥的施用量明顯減少，而化學氮肥在土壤中易受土壤水熱條件和生物活動的影響，還容易淋失或揮發，故雖然施入較多氮肥，但水解氮含量還是比以前有所降低且處于缺乏狀態。為此，建議今后應注重各類氮肥，尤其是有機氮肥的施用，同時，可以考慮少施或隔年施用磷肥，以免造成經濟效益不佳，甚至誘發其他微量元素的缺乏。

土壤養分綜合評價圖顯示，大寨海綿田土壤總養分呈現由南北貫穿的中部向東西兩側遞減。這可能與東西兩側地勢相對較高，南北貫通的中部地區地勢相對較低且平坦有關，這與張慶利等[18]研究的土壤質量指數分布是低洼圩區>平原區>丘陵區相一致。同時，研究區不同部位有機質與土壤速效養分也存在著空間差異，有機質的含量與總養分評價空間分布相似，這可能是由于中心地區地勢較低且平坦，氣溫較低，微生物分解速度減慢，礦化作用減弱，導致有機質的富集[13]，同時也說明有機質是土壤養分的重要來源，土壤肥力高低在一定范圍內與土壤有機質含量呈正相關；速效磷與速效鉀總體上呈現由西北向東南隨地勢增高遞減的趨勢，與劉國順等[19]研究結果一致；水解氮與有機質的空間分布總體上一致，這與馬大龍等[20]研究結果一致。而速效鉀和水解氮局部地區出現的高低值交叉分布可能與當地居民的施肥管理水平有一定的關系。

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